用水质测试笔测定丝素蛋白溶液中盐残留量的探讨

娄永强　包强　彭瑜　李建华　闵思佳

摘要：盐残留量是丝素蛋白产品的品质指标之一。低盐残留量的产品除了对人体更健康之外，色泽、气味等外观品质也更为稳定。仪器分析和化学分析是目前精确测定丝素蛋白产品中盐残留量的方法，但是在实际生产中仍十分需要有实时、快速的检测手段作为补充。文章探讨了用水质测试笔测定的方法，考察了水质笔对多种溶液质量浓度变化的响应性，并结合了应用实例。结果表明，水质测试笔的测试值TDS与CaCl2、NaCl，以及丝素蛋白-CaCl2溶液的质量浓度变化都有较高的线性相关性，水质测试笔的原理和方法在实时、快速地大致评估丝素蛋白溶液中盐残留量方面具有应用前景。

关键词：丝素蛋白;盐残留量;水质测试笔;检测;评估

中图分类号：TS101.91

文献标志码：A

文章编号：10017003（2021）04001005

Abstract：Thesaltresidueisoneofthequalityindexesofsilkfibroinproducts.Theproductswithlowsaltresiduearenotonlyhealthierforhumanbody，butalsomorestableinexteriorqualities，suchascolorandsmell.Instrumentalanalysisandchemicalanalysisarecurrentlymethodstoaccuratelydeterminesaltresiduesinsilkfibroinproducts，buttheystillneedtobesupplementedbyreal-timeandquickdetectionmethodsinpracticalproduction.Thispaperdiscussesthedeterminationmethodwithawaterqualitytestingpenandinvestigatestheresponseofthewaterqualitypentothechangesintheconcentrationofavarietyofsolutions，andassociateswithapplicationexamples.TheresultsshowthattheTDSmeasuredbythewaterqualitypenishighlylinearlycorrelatedwiththechangesintheconcentrationsofCaCl2，NaCl，andfibroin-CaCl2solutions.TheprincipleandmethodoftheTDSwaterqualitytestingpenhaveanapplicationprospectinthefieldofreal-timeandrapidapproximateevaluationofsaltresidueinsilkfibroinsolution.

Keywords：silkfibroin;saltresidue;waterqualitytestingpen;detection;evaluation

作者简介：娄永强（1963），男，工程师，主要从事蚕丝蛋白产品的开发利用研究。

丝素蛋白与人体相容性优良，在医用材料、化妆品、保健食品等方面有着广泛的应用前景[1-5]。丝素蛋白是通过溶解或水解蚕丝丝素纤维得到的，目前在实验室和生产上采用较多的制备方法有盐溶解、酸水解和碱水解三种方法，其中酸水解和碱水解之后一般还需要进一步中和，因此用这三种方法得到的都是含盐的丝素蛋白或者丝素肽溶液[6-8]。盐残留量是丝素蛋白产品的品质指标之一，为了得到优质纯净的丝素蛋白或者丝素肽，含盐的溶液需要经过除盐处理。目前除盐的干净程度一般是凭经验掌握，或者用仪器分析、化学分析来定量，但是前者准确性低，后者对仪器和操作的要求较高。为了寻求一种既简便而又比较准确的检测方法，本文探讨了用水质测试笔测定丝素蛋白溶液中盐残留量的可行性。

水质测试笔的工作原理是：根据水的电导随水中可溶性物质的增加而增强的原理，来测定水中所含可溶性物质的多少。水质测试笔也称TDS测试笔，TDS是总溶解性固体物质totaldissolvedsolids的英文首字母缩写，是指水中总溶解性物质的质量浓度，单位mg/L，主要反映的是水中Ca2+、Mg2+、Na+、K+等离子的质量浓度，与水的电导率有较好的对应关系。TDS值越小，水中Ca2+、Mg2+、Na+、K+等離子的质量浓度越低，电导率越小[9]。

从上述理论看，用水质测试笔测定丝素蛋白溶液中盐的残留量具有可行性，但是因为蛋白质增加了溶液的复杂性，以及一些未知的影响因素，还需要通过试验来做验证和探讨。CaCl2是常用于溶解丝素的盐，因此本文以丝素蛋白-CaCl2溶液为主要研究对象进行探讨，试验方法和结论也同样可供检测其他的盐残留量作参考。

1 材料和方法

1.1 材 料

水质测试笔（2020款小米水质测试笔，量程0～9990mg/L），药品氯化钙、氯化钠、无水乙醇均为分析纯（国药集团化学试剂有限公司），透析袋（相对分子质量8000～14000，美国百思泰），蚕茧（山东春茧）。

1.2 方 法

1.2.1 丝素溶液的准备

准备干净的茧壳，用5g/LNa2CO3水溶液脱去丝胶，茧层与溶液的浴比为10︰1（g︰L），微沸水煮30min，脱胶后得到的丝素纤维用去离子水充分洗净。重复脱胶一次，得到的丝素纤维在40℃下干燥备用。

用三元溶液n（CaCl2）︰n（H2O）︰n（C2H5OH）=1︰8︰2溶解丝素纤维，丝素与溶液的浴比为10︰0.11（g︰L），85℃下溶解10min。将溶解后得到的溶液冷却后灌入透析袋中，在去离子水中换水透析3d。

1.2.2 水质测试笔的测定方法

每个样品同时用3支测试笔测定，每次测定前先将测试笔在纯净水中校正读数至接近零点。温差对TDS值有一定的影响[10]，因此测定在（25±1）℃下进行，试验重复3次取平均值。

1.2.3 CaCl2、NaCl溶液的TDS值测定

用CaCl2和纯净水配置成不同质量浓度的溶液，记录CaCl2质量浓度，用水质测试笔测定并记录TDS值。

测定NaCl溶液的方法相同。

1.2.4 丝素溶液的TDS值测定

将制备得到的丝素蛋白溶液用纯净水稀释或真空浓缩得到不同质量浓度的丝素溶液，用水质测试笔测定并记录TDS值。

1.2.5 丝素蛋白-CaCl2溶液的TDS值测定

将制备得到的实测质量浓度20.7g/L和经真空浓缩得到的实测质量浓度41.5g/L的丝素蛋白溶液，与CaCl2配置成不同质量浓度的丝素蛋白-CaCl2溶液，用水质测试笔测定并记录TDS值。

1.2.6 丝素蛋白-CaCl2溶液透析过程中的TDS值测定

1）换水透析，将溶解得到的约140mL丝素蛋白-CaCl2溶液，分别装入7个透析袋，一起悬挂在大烧杯中。烧杯中加入去离子水2000mL，开始时隔2h换水一次，连续换5次，然后一天换水3次至透析70h。每次换水时分别用水质测试笔测定去离子水、透析液、透析袋中溶液的TDS值。透析袋里的溶液测定后继续透析，重复3次取平均值。

2）流水透析，将分别装入7个透析袋的丝素溶液，一起装入有上进水和下排水的容器中，用去离子水约3.75L/h流量透析31h，分别用水质测试笔测定去离子水、透析液、透析袋中溶液的TDS值。透析袋里的溶液测定后继续透析，重复3次取平均值。

1.2.7 外购丝素蛋白粉中残留盐量的TDS值测定

称取外购得到的丝素粉与去离子水配制成50mL不同质量浓度的丝素粉液。将丝素粉液放置1h，用水质测试笔测定上清液的TDS值，重复3次取平均值。

2 结果和分析

2.1 水质测试笔对CaCl2和NaCl溶液质量浓度变化的响应性

考虑用水质测试笔测定丝素蛋白液中盐的残留量，首先需要测试其对盐质量浓度变化的响应性。在测试中使用了3支水质测试笔，以观察各支水质测试笔响应性之间的差异。测得的不同质量浓度CaCl2溶液的TDS值如图1所示。

结果显示：TDS值低于实际的CaCl2質量浓度，但是两者呈显著线性相关，1号笔数据的相关系数r=0.999，3支笔的测定值之间存在一些差异，但是趋势一致。

为了比较水质测试笔对其他盐的响应性，用同样方法对NaCl溶液进行了测试，结果如图2所示。

结果显示：TDS值与NaCl溶液的实际浓度呈显著相关，以1号笔的数据计算的两者相关系数r=0.999。与CaCl2相比，NaCl的TDS值更接近实际质量浓度。

从以上结果可以了解到，水质测试笔的TDS值与CaCl2和NaCl质量浓度变化都有显著的线性相关性，但不同盐的TDS值与实际质量浓度的响应性表现有不同。

2.2 丝素蛋白溶液的TDS值

蛋白质不在水质测试笔的主要检测范围内，但是本文探讨的目的是要检测丝素蛋白-CaCl2溶液中盐的残留量，所以也需要了解丝素蛋白溶液的质量浓度与TDS值的关系。

用水质测试笔测定质量浓度0～40g/L的丝素蛋白溶液的TDS值，结果如图3所示。随着丝素蛋白溶液质量浓度的增加，TDS值也增加，但是增值逐步放缓。以1号笔的数据为例，在丝素蛋白溶液质量浓度0～10g/L内TDS值增加28mg/L，在10～20g/L内增加21mg/L，20～30g/L内增加19mg/L，30～40g/L内TDS值增加17mg/L。分析认为，水质测试笔能测出丝素蛋白溶液的TDS值是因为在溶液中丝素蛋白发生了电离，并带有电荷。而在溶液中丝素蛋白的电离度会随溶液的变化而发生变化，是不稳定的，丝素蛋白质量浓度增高时电离度却因质量浓度的增高而有所降低。这两种效应的叠加，使得在丝素蛋白溶液在质量浓度增加时TDS值的增量却有所放缓。

2.3 丝素蛋白-CaCl2水溶液的TDS值

在分别了解了CaCl2和丝素蛋白的TDS值后，进一步来分析丝素蛋白-CaCl2溶液的TDS值。用实测质量浓度20.7g/L和41.5g/L的两种丝素蛋白溶液分别与不同质量浓度的CaCl2调配成丝素蛋白-CaCl2水溶液，测出的TDS值如表1所示。因为3支测试笔的结果相似，为了简明地说明结果，仅对1号笔的数据进行分析（图4）。

首先观察0g/L丝素蛋白-CaCl2溶液。TDS值低于CaCl2的实际质量浓度，这是由前面讨论的水质测试笔对CaCl2的响应性所决定的。

其次观察20.7g/L丝素蛋白-CaCl2溶液的TDS值。在CaCl2低质量浓度的情况下，因为有丝素蛋白的TDS值叠加的影响，TDS值高于0g/L丝素蛋白-CaCl2溶液的TDS值。但是丝素蛋白-CaCl2溶液的TDS值并不是简单地由丝素蛋白所产生的TDS值和CaCl2所产生的TDS值的叠加，而是随着CaCl2质量浓度的升高，TDS值逐渐接近甚至小于0g/L丝素蛋白-CaCl2溶液的TDS值。以表1中1号笔的数据为例，CaCl2实际质量浓度在1108mg/L时，20.7%g/L丝素蛋白-CaCl2溶液的TDS值为884.3mg/L，低于0g/L丝素蛋白-CaCl2溶液的TDS值886.7mg/L。推测这一现象产生的主要原因为，在盐溶液里存在蛋白质的情况下，盐离子与蛋白质表面的部分电荷会发生中和作用，使得溶液中的带电粒子数量低于原来两种单纯溶液中的带电粒子数量之和。从图4可以看出，在一定范围内盐质量浓度的增加和蛋白质质量浓度的增加都能使中和作用增强。譬如，随着CaCl2质量浓度的提高，丝素蛋白TDS值的叠加作用逐渐减小直至由正转为负，丝素蛋白质量浓度的提高也使其TDS值叠加作用的下降更明显。

虽然丝素蛋白-CaCl2溶液的TDS值变化规律比较复杂，但是从图4可以观察到在本文所试验的范围内，也是讨论盐残留量问题的一般质量浓度范围内，丝素蛋白-CaCl2溶液的TDS值与实际溶液中的CaCl2值接近线性相关，因此可以用线性回归方程从丝素蛋白-CaCl2溶液的TDS值中近似计算出溶液中CaCl2的质量浓度。

仍以表4中的1号笔20.7g/L丝素蛋白-CaCl2溶液的TDS值为例，计算线性回归方程式为：

例如：1号笔在20.7g/L丝素蛋白-CaCl2溶液中测得TDS值为157.3，用式（1）计算出来的CaCl2质量浓度为111.8mg/L，这时CaCl2实际质量浓度为110.8mg/L，计算值和实际值接近。

2.4 水质测试笔测定丝素蛋白溶液中盐残留量的应用

除去CaCl2常用的方法是换水透析或流水透析，透析时的换水次数、流水透析时间及透析后CaCl2的残留量都是在试验和生产中需要及时掌握的问题。本文举例用水质测试笔来解决这些问题，所用的丝素蛋白-CaCl2溶液中丝素蛋白的质量浓度在20g/L左右，计算时运用式（1）。

表2是用水质测试笔测得的换水透析过程中去离子水、透析液和丝素溶液的TDS值变化。从表2可以看到，换水10次并透析约51h后，透析水的TDS值已经接近去离子水，说明继续透析出来的CaCl2已经是微量。这时的TDS值为65，用式（1）计算得实际残留CaCl2约为5.14mg/L。继续换水至12次，透析至70h，TDS值为61，计算得实际残留的CaCl2约为0.516mg/L，判断这时透析的作用已经接近结束。测定和计算结果与一般换水透析时间为3d相一致。

表3是用水质测试笔测得的流水透析过程中去离子水、透析水和丝素溶液的TDS值的变化。28h后透析水的TDS值已经接近去离子水，说明这时CaCl2透析出的速度已经大幅降低。这时丝素溶液的TDS值为74，用式（1）计算得实际残留CaCl2约为15.5mg/L。继续流水透析至31h后，丝素溶液的TDS值为55，用式（1）计算得实际残留的CaCl2约为-6.4mg/L，判断这时的透析作用已经接近结束。从计算得到的实际残留出现负值的情况看，用水质检测笔的测定和计算还是存在一定的误差。分析造成误差的主要因素有以下几个方面：回归方程的方法本身的误差;做标准曲线时与应用时的丝素溶液的质量浓度不完全一致;测定温度的偏差;取样的误差。

在生产中可以根据表2和表3的结果及对CaCl2残留量的要求，来选择合适的透析时间。此外，通過比较表2和表3也可以了解到，流水透析去除CaCl2的速度更快，当然用水量会多于换水透析。

盐残留量是蚕丝蛋白商品的品质指标之一，交易时需要一种快速、简便的评估方法。为此，购买了一种不溶于水的丝素粉，试对其进行测试。测出上清液的TDS值如表4所示，20g/L丝素粉液的TDS值为950，假设残留的盐是CaCl2，用式（1）计算得残留的CaCl2约为1028.2mg/L。

3 结 论

通过试验表明，水质测试笔的TDS值与丝素蛋白溶液中的盐质量浓度有较高的相关性，在实时检测透析过程中CaCl2残留量变化时表现出便捷、快速的特点。对使用中需要注意的问题作如下归纳：

1）在测定含某种盐的丝素蛋白溶液的时候，需要先了解水质测试笔是否对该盐的质量浓度响应呈线性相关;

2）所需检测溶液中的丝素蛋白质量浓度需要与标准曲线的丝素蛋白质量浓度接近，否则误差比较大;

3）丝素蛋白或者丝素肽的相对分子质量、盐的种类对TDS值都有影响，当这些要素发生了变化时，需要重新作出回归方程;

4）温度对TDS值有较大的影响，测定需要在恒定的温度范围下进行。

丝素蛋白相对分子质量对TDS值的影响、TDS值与仪器分析结果的关系等还有待进一步探讨。随着更多影响TDS值因素的解明，水质测试笔的原理和方法有望在辅助实时了解生产过程中丝素蛋白溶液中盐的残留量，以及快速初步评估丝素蛋白商品中盐的残留量等方面显示出应用前景。

参考文献：

[1]LAOMEEPHOLC，GUEDESM，FERREIRAH.Phospholipid-inducedsilkfibroinhydrogelsandtheirpotentialascellcarriersfortissueregeneration[J].JournalofTissueEngineeringandRegenerativeMedicine，2020，14（1）：160-172.

[2]FAROKHIM，MOTTAGHITALABF，FATAHIY.Silkfibroinscaffoldsforcommoncartilageinjuries：possibilitiesforfutureclinicalapplications[J].EuropeanJournalofPolymers，2019，115：251-267.

[3]肖潇，梁贵秋，陆春霞，等.蚕丝蛋白在抗衰老类化妆品中的应用进展[J].蚕业科学，2018，44（6）：958-961.

XIAOXiao，LIANGGuiqiu，LUChunxia，etal.Progressinapplication

ofsilkproteinsinanti-agingcosmetics[J].ActaSericologicaSinica，2016，44（6）：958-961.

[4]阿部博幸，长岛孝行，吉川育矢.丝素对糖尿病患者肾功能下降抑制作用的研究[C]//第16次国际个别化医疗学会论文集，2013：45-50.

HIROYUKIA，KOYUKIN，YUYAY.Studyontheinhibitoryeffectofsilkfibroinonrenalfunctiondeclineindiabeticpatients[C]//Paperofthe16thInternationalSocietyforPersonalizedMedicine，2013：45-60.

[5]渡会伸治，长岛孝行，吉川育矢.长期摄取丝素改善脂质代谢效果的验证[J].诊疗和新药，2018，55：671-676.

NOBUYUKIW，KOYUKIN，YUYAY.Validationoftheeffectoflong-termintakeofsilkfibroinonlipidmetabolism[J].DiagnosisandNewDrugs，2016，55：671-676.

[6]杨磊，陈宇，朱良均，等.一种新型丝素支架材料的体内降解试验[J].蚕业科学，2011，37（4）：713-718.

YANGLei，CHENYu，ZHULiangjun，etal.Invivodegradationtestofanovelsilkfibroinscaffold[J].ActaSericologicaSinica，2011，37（4）：713-718.

[7]李利军，吴启涛，杨峰，等.微波辅助酸水解法制备丝素肽的研究[J].安徽农业科学，2010，38（12）：6528-6530.

LILijun，WUQitao，YANGFeng，etal.Researchonpreparationofsilkfibroinpeptidewithmicrowave-assistedhydrolysis[J].JournalofAnhuiAgriculturalSciences，2010，38（12）：6528-6530.

[8]王方林，韩艳霞，陈伟.蠶丝蛋白水解工艺及作为化妆品添加剂的应用研究[J].化学世界，2006（9）：541-543.

WANGFanglin，HANYanxia，CHENWei.Studyofapplicationofsilkfibroinascosmeticadditives[J].ChemicalWorld，2006（9）：541-543.

[9]林国辉.总溶解固体物（TDS）测定仪的校准[J].上海计量测试，2018，45（6）：2-3.

LINGuohui.Thecalibrationoftotaldissolvedsolids（TDS）meter[J].ShanghaiMeassurementandTesting，2018，45（6）：2-3.

[10]顾凡.探究不同因素对生活用水水质硬度的影响[J].科学技术创新，2019（27）：37-38.

GUFan.Theinfluenceofdifferentfactorsonthehardnessofdomesticwaterquality[J].ScientificandTechnologicalInnovation，2019（27）：37-38.